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Pulse-Engineered Ion Redistribution Suppresses Cation Interference in Electrocatalytic Nitrate Reduction

硝酸盐 化学 无机化学 废水 电解 再分配(选举) 催化作用 吸附 化学工程 离子 氨生产 电化学 干扰(通信) 水处理 降水 电催化剂 材料科学
作者
Jinling Fan,Yunshuo Wu,Leslie Arrazolo,Kangwei Yin,Shanyuhan Jin,Yu Gao,Xuanhao Wu,ZhongBiao WU,J. E. Kim
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (5): 4393-4405 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c13711
摘要

Electrocatalytic nitrate reduction (eNO3RR) to ammonia offers a sustainable route for nitrate remediation and nitrogen resource recovery. However, its implementation in real wastewater remains challenging, with limited strategies to address interference from coexisting ions. Here, we identify Mg2+ as a representative precipitation-prone impurity and demonstrate that pulsed electrolysis effectively alleviated its inhibitory effects. Under optimized pulsed conditions, the nitrate removal and ammonia yield rate reached 98.0% and 3544.7 μg h–1 cm–2, respectively, restoring the lost performance under static operation with Mg2+ (85.3% and 2821.5 μg h–1 cm–2) and matching the Mg2+-free baseline (96.1% and 3449.0 μg h–1 cm–2). Mechanistic studies revealed three key functions of pulsing: (i) suppression of local pH elevation, which limits Mg2+ precipitation and particle growth on the catalyst surface; (ii) dynamic modulation of interfacial ion distributions, reducing Mg2+ accumulation via electric-field-induced repulsion; and (iii) K+ enrichment at the interface, which increases the energy barrier (1.15 eV) for Mg2+ adsorption and enhances NO3– conversion. The pulsed strategy also effectively mitigated cationic interference in complex multi-ion wastewater analogs, demonstrating its broad applicability. Our findings uncover the mechanistic basis of pulsed electrolysis-induced ion redistribution in complex water matrices, establishing a generalizable framework to enhance the eNO3RR and other electrocatalytic water treatment processes under realistic conditions.
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